Erläuterung des selektiven Laserschmelzens (SLM-3D-Druck)

Was ist selektives Laserschmelzen im 3D-Druck?

Selektives Laserschmelzen (SLM) ist ein additives Fertigungsverfahren für Metalle, bei dem ein Hochleistungslaserstrahl Metallpulver Schicht für Schicht schmilzt [1] und verschmilzt, um feste 3D-Bauteile zu formen. SLM ist auch als direktes Metall-Lasersintern (DMLS) bekannt. Diese Bezeichnung ist jedoch irreführend, da das Metall bei diesem Verfahren vollständig zu einer homogenen Masse aufgeschmolzen wird, im Gegensatz zum selektiven Lasersintern (SLS), einem echten Sinterprozess. [2]

Die Geschichte des selektiven Laserschmelzens (SLM) lässt sich bis ins Jahr 1995 zurückverfolgen, als das Fraunhofer-Institut ILT in Aachen ein Forschungsprojekt zu dieser additiven Fertigungstechnologie für Metalle initiierte. [3]

Das ASTM International F42-Normenkomitee hat SLM [4] unter „Pulverbettfusion“ (PBF) zusammengefasst, einem Oberbegriff für additive Fertigungstechnologien, die ein Pulverbett und eine Wärmequelle zur Herstellung von 3D-Bauteilen nutzen. SLM-3D-Druck zählt zu den fortschrittlichsten und am weitesten verbreiteten additiven Fertigungstechnologien für Metalle, da er die Herstellung von vollständig dichten, langlebigen und komplexen Metallteilen ermöglicht, die sich sowohl als Funktionsprototypen als auch für die Serienfertigung eignen. SLM ist eine revolutionäre Technologie mit vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Medizintechnik, Zahnmedizin und Energiewirtschaft.

Im nächsten Teil erklären wir die Funktionsweise von SLM und die wichtigsten Schritte des Prozesses.

Wie funktioniert selektives Laserschmelzen?

Das selektive Laserschmelzverfahren (SLM) besteht aus sechs Hauptschritten:

1. Konstruktion: Im ersten Schritt wird das 3D-Modell des Bauteils mithilfe einer CAD-Software (Computer-Aided Design) konstruiert. Anschließend wird das 3D-Modell in eine STL-Datei (Standard Tessellation Language) konvertiert, die die geometrischen Informationen des Bauteils in Form von Dreiecken enthält.

2. Slicing: Im zweiten Schritt wird die STL-Datei mithilfe einer Slicing-Software in dünne, horizontale Schichten zerlegt. Jede Schicht repräsentiert einen Querschnitt des zu druckenden Bauteils. Die Slicing-Software generiert außerdem die Werkzeugwege für den Laserstrahl, die auf jeder Schicht abgefahren werden.

3. Drucken: Im dritten Schritt wird das Bauteil mithilfe einer SLM-Maschine gedruckt. Eine SLM-Maschine besteht aus vier Hauptkomponenten: einem Pulverbett, einem Pulverfördersystem, einer Laserquelle und einem Scansystem.

● Das Pulverbett ist eine ebene Plattform, auf der das Bauteil aufgebaut wird. Es ist von einer Kammer umgeben, die mit einem Inertgas wie Argon oder Stickstoff gefüllt ist, um Oxidation und Verunreinigung des Metallpulvers zu verhindern.

● Das Pulverfördersystem besteht aus einem Pulverreservoir und einem Rakel. Das Pulverreservoir enthält das Metallpulver, das typischerweise kugelförmig ist und einen Durchmesser von 10 bis 50 Mikrometern aufweist. Der Rakel verteilt vor dem Drucken jeder Schicht eine dünne Pulverschicht auf dem Pulverbett.

● Die Laserquelle ist ein Hochleistungsfaserlaser, der einen fokussierten Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 800 bis 1100 Nanometern aussendet. Der Laserstrahl kann Temperaturen von bis zu 2500 °C erreichen, ausreichend, um das Metallpulver zu schmelzen.

●Das Scansystem besteht aus zwei Galvanometerspiegeln, die den Laserstrahl entsprechend den von der Slicing-Software generierten Werkzeugwegen ablenken. Das Scansystem kann den Laserstrahl mit bis zu 10 Metern pro Sekunde bewegen und so den gesamten Querschnitt des Bauteils erfassen.

Hinweis: Der Druckprozess beginnt mit dem Absenken des Pulverbetts um eine Schichtdicke, typischerweise 20 bis 100 Mikrometer. Anschließend verteilt die Rakel des Beschichtungsgeräts eine neue Pulverschicht auf dem Pulverbett. Der Laserstrahl tastet dann den Querschnitt des Bauteils ab und schmilzt und verschmilzt die Pulverpartikel. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das gesamte Bauteil gedruckt ist.

4. Kühlung: Im vierten Schritt wird das Werkstück in der Maschine abgekühlt. Dieser Vorgang kann je nach Größe und Geometrie des Werkstücks mehrere Stunden dauern. Die Kühlung ist wichtig, um thermische Spannungen und Verformungen zu vermeiden, die die Qualität und Genauigkeit des Werkstücks beeinträchtigen könnten.

5. Entnahme: Im fünften Schritt wird das Bauteil aus der Maschine entnommen. Es ist üblicherweise auf einer Grundplatte befestigt, die ebenfalls aus Metallpulver besteht. Die Trennung von der Grundplatte erfolgt mittels Drahterodieren (EDM) oder einer Bandsäge. Überschüssiges Pulver wird anschließend mit einer Bürste oder Druckluft entfernt. Dieses Pulver kann recycelt und für zukünftige Druckvorgänge wiederverwendet werden.

6. Nachbearbeitung: Im sechsten Schritt wird das Bauteil nachbearbeitet, um seine Oberflächenbeschaffenheit, mechanischen Eigenschaften und Maßgenauigkeit zu verbessern. Zu den Nachbearbeitungsmethoden gehören Wärmebehandlung, Gleitschleifen, spanende Bearbeitung, Polieren und Beschichten. Die Wahl der Nachbearbeitungsmethode hängt vom Material, der Anwendung und den Spezifikationen des Bauteils ab.

Bildquelle: AM Material

Materialien für selektives Laserschmelzen

Mit dem SLM-Metall-3D-Druckverfahren lassen sich verschiedene Legierungen verarbeiten, darunter Aluminium, Titan, Edelstahl, Nickel, Kobalt und Kupfer.

Gängige Arten von SLM-3D-Druckmaterialien

1. Aluminiumlegierungen

Aluminiumlegierungen sind leichte, korrosionsbeständige und wärmeleitende Werkstoffe, die in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Biomedizin Anwendung finden. Zu den Aluminiumlegierungen, die sich mittels SLM verarbeiten lassen, gehören AlSi10Mg, AlSi12, AlSi7Mg und AlSi9Cu3.

Eloxiertes, SLM-gedrucktes Aluminiumteil

2. Titanlegierungen

Titanlegierungen sind biokompatible, hochfeste und leichte Werkstoffe, die in der Medizin, Zahnmedizin und Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden. Mittels SLM lassen sich einige Titanlegierungen verarbeiten, darunter Ti6Al4V, Ti6Al7Nb, TiAl6V4, TiAl6Nb7 und Ti64.

3. Edelstahllegierungen

Edelstahllegierungen sind korrosionsbeständige, verschleißfeste und duktile Werkstoffe, die in der Chemie-, Lebensmittel- und Schifffahrtsindustrie Anwendung finden. Zu den Edelstahllegierungen, die sich mittels SLM verarbeiten lassen, gehören 316L, 17-4 PH, 15-5 PH, 304L und 420.

Fein poliertes Edelstahlteil

4. Nickellegierungen

Nickellegierungen sind hochtemperaturbeständige, hochfeste und oxidationsbeständige Werkstoffe, die in der Energie-, Kernkraft- und Luft- und Raumfahrtindustrie Anwendung finden. SLM eignet sich zur Verarbeitung folgender Nickellegierungen: Inconel 625, Inconel 718, Hastelloy X und René 80.

5. Kobaltlegierungen

Kobaltlegierungen sind biokompatible, verschleißfeste und hochtemperaturbeständige Werkstoffe mit Anwendung in der Medizin, Zahnmedizin und Luft- und Raumfahrt. Zu den Kobaltlegierungen, die sich mittels SLM verarbeiten lassen, gehören CoCrMo, CoCrW und CoCr.

6. Kupferlegierungen

Kupferlegierungen sind elektrisch und thermisch leitfähige, duktile und antimikrobielle Werkstoffe mit Anwendung in der Elektro-, Elektronik- und Wärmeübertragungsindustrie. Zu den Kupferlegierungen, die sich mittels SLM verarbeiten lassen, gehören CuCrZr, CuNi₂SiCr, CuSn₁₀ und CuZn.

Tipps zur Auswahl der SLM-Materialien

1. Schmelzpunkt: Das Material sollte einen geeigneten Schmelzpunkt aufweisen, den der Laserstrahl erreichen kann, ohne dass es zu übermäßiger Verdampfung, Oxidation oder Pulverspritzern kommt.

2. Wärmeleitfähigkeit: Das Material sollte eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um Wärmeverluste und Temperaturgradienten während des Schmelzens und Erstarrens zu minimieren. Dadurch werden Eigenspannungen, Verformungen und Risse im Bauteil reduziert.

3. Pulvereigenschaften: Das Material sollte eine sphärische und gleichmäßige Pulvermorphologie mit einer engen Partikelgrößenverteilung aufweisen, um die Fließfähigkeit, die Packungsdichte und die Laserabsorption des Pulvers zu verbessern.

4. Mechanische Eigenschaften: Das Material sollte fest, hart, duktil und ermüdungsbeständig sein, um den Belastungen und Umgebungsbedingungen der vorgesehenen Anwendung standzuhalten.

5. Chemische Zusammensetzung: Das Material sollte eine stabile und homogene chemische Zusammensetzung aufweisen, die sich während des SLM-Prozesses nicht wesentlich verändert, um Entmischung, Ausfällung und Verunreinigung des Bauteils zu verhindern.

Anwendungsbereiche des SLM-3D-Drucks

In einigen Branchen wird SLM bereits zur Herstellung robuster, langlebiger und funktionaler Bauteile eingesetzt.

● Luft- und Raumfahrt: SLM kann Teile für Flugzeugtriebwerke, Turbinen, Raketen, Satelliten und Drohnen herstellen, wie z. B. Schaufeln, Düsen, Injektoren, Halterungen und Gehäuse.

● Automobilindustrie: SLM kann Teile für Autos, Motorräder und Lkw herstellen, wie zum Beispiel Kolben, Zahnräder, Ventile, Krümmer und Fahrgestelle.

● Medizin: SLM kann Teile für medizinische und zahnmedizinische Anwendungen herstellen, wie z. B. Implantate, Prothesen, chirurgische Instrumente und kieferorthopädische Geräte.

● Energie: SLM kann Bauteile für Anwendungen zur Energieerzeugung und -speicherung herstellen, wie z. B. Windkraftanlagen, Solarmodule, Brennstoffzellen und Batterien.

3DSPRO SLM-gedrucktes Aluminiumlegierungsrohr (AlSi₁₀Mg) – Detail

SLM-3D-Druck: Vor- und Nachteile

Vorteile

● Hohe Qualität: SLM fertigt Bauteile mit hoher Dichte, Festigkeit, Härte und Genauigkeit sowie exzellenter Oberflächengüte und Dimensionsstabilität. Auch Bauteile mit komplexen und feinen Strukturen lassen sich damit herstellen, die mit anderen Verfahren schwer oder gar nicht realisierbar sind.

● Hohe Leistungsfähigkeit: SLM ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit kundenspezifischen und funktionalen Eigenschaften, wie z. B. thermischen, elektrischen oder mechanischen Eigenschaften, durch die Verwendung unterschiedlicher Materialien und Legierungen oder durch die Schaffung abgestufter oder Verbundstrukturen.

● Hohe Flexibilität: SLM fertigt Bauteile in beliebiger Form, Größe und Geometrie gemäß den Vorgaben und Spezifikationen der Kunden oder Anwendungen. Auch Bauteile mit inneren Hohlräumen, Kanälen und Gitterstrukturen lassen sich mit SLM herstellen, um Funktionalität und Ästhetik zu optimieren.

● Hohe Nachhaltigkeit: SLM reduziert Material- und Energieverbrauch sowie die Umweltbelastung der Bauteile durch geringeren Materialeinsatz, weniger Abfall und geringere Emissionen. Überschüssiges Pulver kann recycelt und für zukünftige Druckvorgänge wiederverwendet werden, und beschädigte oder verschlissene Teile können repariert und instandgesetzt werden.

Nachteile

● Hohe Kosten: SLM ist eine vergleichsweise teure Technologie, da sie hohe Anfangsinvestitionen, hohe Betriebskosten und hohe Wartungskosten erfordert. Zudem werden teure und knappe, hochwertige und hochreine Metallpulver benötigt. SLM eignet sich aufgrund der geringen Produktionsgeschwindigkeit und des geringen Produktionsvolumens nicht für die Massenproduktion.

● Hohe Komplexität: SLM ist eine komplexe und anspruchsvolle Technologie, die hohes Fachwissen, Präzision und Kontrolle erfordert. Sie umfasst zahlreiche Parameter und Variablen, die die Qualität und Eigenschaften der Bauteile beeinflussen, wie z. B. Laserleistung, Lasergeschwindigkeit, Schichtdicke, Scanstrategie und Pulvereigenschaften. SLM erfordert zudem eine umfangreiche Nachbearbeitung und Qualitätskontrolle, um die Qualität und Sicherheit der Bauteile zu gewährleisten.

● Hohes Risiko: SLM ist mit hohen Temperaturen, hohem Druck und hoher Strahlung verbunden, was zu thermischen Spannungen, Verformungen, Rissen und Defekten an den Teilen sowie zu Oxidation, Verunreinigung und Verdampfung des Pulvers führen kann.

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Referenzen:

[1] Cho, Chia-Hung, et al. „Schweißbadmessung mit einem thermischen Array-Sensor.“ Proceedings of SPIE, 2015, https://doi.org/10.1117/12.2187751.

[2] Direktes Metall-Lasersintern. https://www.parkerlatifi.com/ShowPage/245/Direct-Metal-Laser-Sintering

[3] Wie ausgereift sind die Technologien für den 3D-Metalldruck? - AMFG. https://amfg.ai/2019/09/03/how-mature-are-metal-3d-printing-technologies/

[4] Direktes Metall-Lasersintern. https://www.parkerlatifi.com/ShowPage/245/Direct-Metal-Laser-Sintering